Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Russian Federation
UDK 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
When caring for forest crops, it is necessary to prune the branches. Cutting of top branches is carried out in nurseries, removal of shrubs - on clearings, the formation of crowns - in forest shelterbelts. It is difficult for the operator to simultaneously control several hydraulic cylinders and maintain the required position of the working body. It becomes possible to automate the process of pruning branches with the development of digital means of visual and automatic control. It is necessary to determine the control actions on the hydraulic cylinders of the branch cutter to automate the work of the operator. Modern technological equipment is designed in computer-aided design (CAD) systems. It enables using a numerical method to conduct a computer experiment on a simulation model. The design of the cutter in Solidworks have been made. A simulation model has been compiled. The simulation model takes into account geometric, kinematic and inertial parameters of the cutter chains. The movement of the cutter working body from the transport position to the working one has been studied. Virtual displacement sensors have been installed on the chains in the Motion Solidworks module, and cutter paths have been obtained. The resulting control actions can be used as an input parameter for simulation models in other mathematical environments, and when creating prototypes of cutting control mechanisms
branch cutter, simulation, CAD, manipulator, automation
Введение При уходе за лесными культурами необходимо проводить обрезку ветвей. Обрезка вершин осуществляется в питомниках, удаление кустарника – на вырубках, формирование кроны – у лесозащитных полос [1]. С внедрением автоматизированных средств слежения как в целом за машиной, так и за объектами ухода возникает возможность повысить производительность проводимых операций и снизить требования и нагрузку на оператора [2, 3]. При рассмотрении гидравлической системы, приводящей в требуемое положение рабочий орган обрезчика ветвей, оператору необходимо управлять тремя гидроцилиндрами. Однако если мы знаем, как следует расположить рабочий орган, то путем моделирования можем найти требуемый ход штоков гидроцилиндров. В настоящее время проектирование технологического оборудования ведется в системах автоматизированного проектирования. При разработке конструкции детали объединяются в сборочный чертеж и обладают инерционными свойствами в соответствии с их размерами и выбранным материалом. Используя 3D модель технологического оборудования, можно установить виртуальные датчики перемещения на его звенья. Расположив звенья обрезчика ветвей в транспортное и рабочее положение, мы получим показания перемещения его гидроцилиндров, а значит, управляющие воздействия оператора. Такой подход позволяет совместить операции по движению сразу трех гидроцилиндров, что повышает производительность работы. Для функционирования обрезчика в реальных условиях необходимо снабдить прототип датчиками перемещения штока гидроцилиндра и калибровать расположением звеньев относительно их начального положения, а также разработать механизм подачи давления в соответствии с цифровыми значениями оборудования. Материалы и методы Используя САПР SolidWorks, создадим звенья, укажем их сопряжения в сборке, установим материал. Общий вид 3D модели обрезчика ветвей показан на рис. 1. Рис. 1. Общий вид обрезчика ветвей (собственная разработка авторов) Обрезчик состоит из рамы, которая присоединяется к навеске трактора, колонны, вращающейся в вертикальной плоскости двумя гидроцилиндрами, соединенной со стрелой, на конце которой установлен зубчатый механизм поворота рабочего органа с тремя пильными дисками. Вращение на пильные диски передается ременной передачей от гидромотора. Поворот рабочего органа осуществляется за счет перемещения штока гидроцилиндра, выполняющего функцию шатуна. Ширина захвата 1,4 м. Диаметр срезаемых ветвей до 10 см. Пилы расположены в шахматном порядке, перекрывая рабочую зону друг друга. Частота вращения пил 1000 об/мин, диаметр 0,5 м, окружная скорость резания 25 м/с, что предотвращает отклонение тонких ветвей при резании. Общая масса конструкции 350 кг. Обозначим характерные точки обрезчика ветвей: А – шарнир крепления первого гидроцилиндра, B – шарнир крепления штока первого гидроцилиндра, С – шарнир поворота стрелы относительно колонны, D – шарнир второго гидроцилиндра (на колонне), Е – шарнир штока второго гидроцилиндра (на стреле), F – шарнир третьего гидроцилиндра, G – шарнир третьего штока, L – крайняя левая точка на диске пилы, R – крайняя правая точка на диске пилы (рис. 2). Рис. 2. Транспортное положение обрезчика (собственная разработка авторов) Путем движения звеньев переведем механизм в транспортное положение (рис. 2). Установим виртуальные датчики, которые будут отслеживать координаты по осям ОХ, ОY (рис. 3). Также установим датчики, которые отслеживают перемещение штоков гидроцилиндра относительно их начального значения. Рис. 3. Датчик движения шарнира B по оси ОХ (собственная разработка авторов) Обрезчик монтируются на навеске трактора. На рис. 4 показан вид спереди, в то время как система координат сориентирована по ходу движения трактора, а значит положительные значения оси ОХ будут направлены влево. Процесс перемещения рабочего органа исследуем при неподвижной машине, а значит, пренебрегаем осью ОZ.Таблица 1 Координаты характерных точек обрезчика в транспортном и рабочем положениях № п/п Датчик Xт, мм Yт, мм Хр, мм Yр, мм 1 A 340 100 -340 100 2 B 90 1254 -749 977 3 C 0 1086 -698 798 4 D 0 1265 -824 924 5 E -110 2104 -1561 1425 6 F -332 1629 -1516 902 7 G -578 995 -1431 214 8 L -743 1566 -2137 12 9 R -743 166 -737 12 (собственная разработка авторов) Используя виртуальные датчики, расположенные в шарнирах А, B, C, D, E, F, G и крайних точках рабочего органа R, L, сведем начальные и конечные координаты механизма в табл. 1. Обозначим индексом т – транспортное положение, а индексом р – рабочее положение. Результаты и обсуждение Для повышения жесткости конструкции поворотная колонна вращается двумя гидроцилиндрами. Так как гидроцилиндры расположены симметрично друг другу, следует ожидать симметрию при перемещении их штоков при повороте колонны. Рис. 5. Показания виртуального датчика перемещения штока первого гидроцилиндра (собственная разработка авторов) Данное предположение подтверждается показаниями виртуальных датчиков. Перемещение штока гидроцилиндров составило 0,2 м, характеристики показаны на рис. 5, 6.
Перемещение штока третьего гидроцилиндра DE составило 0,05 м. Управляя гидроцилиндрами DE и AB, рабочий орган располагается по осям ОХ, ОY на требуемые вылет и высоту. Характеристика перемещения показана на рис. 7. Перемещение штока четвертого гидроцилиндра FG составило 0,002 м. Шток гидроцилиндра выполняет функцию шатуна, приводя в движение зубчатое зацепление с передаточным отношением u = 0,4. Рис. 7. Показания виртуального датчика перемещения штока третьего гидроцилиндра (собственная разработка авторов) Шарнир крепления штока на зубчатом колесе проходит через нижнюю мертвую точку и возвращается обратно, что соответствует полученным значениям перемещения с виртуального датчика (рис. 8). Рис. 8. Показания виртуального датчика перемещения штока четвертого гидроцилиндра (собственная разработка авторов) Полученные на рис. 5, 6, 7, 8 значения перемещения штоков гидроцилиндров представляют собой требуемые воздействия оператора на гидроцилиндры, которые необходимо выполнить для перевода рабочего органа обрезчика из транспортного положения в рабочее. Целесообразно заложить полученные значения перемещения в автоматизированный механизм, который по нажатию одной кнопки выполнит данную работу. Для контроля результатов управляющих воздействий нами были установлены виртуальные датчики на рабочем органе. Показания датчика координаты Y для точки R приведены на рис. 9. Рис. 9. Показания виртуального датчика координаты Y точки R (собственная разработка авторов) Из графика следует, что в транспортном положении точка R (см. рис. 2) находилась на высоте 1,56 м, а после управляющего воздействия переместилась в рабочее положение (см. рис. 3) на высоту 0,012 м.
Управляющие воздействия производились параллельно, поэтому вылет координаты Х точки R за счет поворота колонны компенсировался поворотом стрелы и разворотом на 90 рабочего органа. Перемещение координаты Х составило 0,005 м, а сама координата изменилась с –0,742 м в транспортном положении до –0,737 м в рабочем положении (рис. 10). Рис. 10. Показания виртуального датчика координаты X точки R (собственная разработка авторов) Аналогично были получены зависимости координат от времени для точки L. Для наглядной демонстрации перемещения рабочего органа в вертикальной плоскости построим зависимости координат Х от Y для точки L (рис. 11). Рис. 11. Перемещение точки L рабочего органа в вертикальной плоскости (собственная разработка авторов) Из рис. 11 следует, что точка L движется в плоскости XOY по дуге из верхнего положения, соответствующего транспортному, в нижнее левое (относительно хода движения машины). Рис. 12. Перемещение точки R рабочего органа в вертикальной плоскости (собственная разработка авторов) Из рис. 12 следует, что точка L движется в плоскости XOY незначительно, изменяя свое положение из верхнего положения, соответствующего транспортному, в нижнее левое (относительно хода движения машины). Выводы 1. На основании полученной имитационной модели были установлены управляющие воздействия, которые позволяют перевести рабочий орган из транспортного в рабочее положение. 2. Для предложенной конструкции обрезчика ветвей определены рабочая зона резания (1,4 м) и траектории движения рабочего органа. 3. Найденные управляющие воздействия могут быть использованы как входные параметры для моделирования обрезчика в других средах и для создания устройства, автоматизирующего работу оператора обрезчика.
1. Gidromanipulyatory i lesnoe tehnologicheskoe oborudovanie: monografiya / Z. K. Emtyl', I. M. Bartenev, M. V. Drapalyuk [i dr.] ; pod red. I. M. Barteneva. - Moskva : FLINTA, Nauka, 2011. - 408 s.
2. Buhtoyarov, L. D. Avtomatizirovannyy privod dlya upravleniya ruchnymi gidroraspredelitelyami /L. D. Buhtoyarov, M. N. Lysych, R. V. Mirzehanov // Aktual'nye napravleniya nauchnyh issledovaniy XXI veka:teoriya i praktika : sb. nauch. trudov po mater. mezhdunar. zaochnoy nauchno-prakticheskoy konferencii. -Voronezh, 2015. - № 7, ch. 1 (18-1). - S. 187-190.
3. Panchenko, A. I. Osnovnye napravleniya gidrofikacii mobil'noy tehniki / A. I. Panchenko,A. A. Voloshina, Yu. P. Obernihin // Pracі Tavrіys'kogo derzhavnogo agrotehnologіchnogo unіversitetu. -2013. - № 13. - T. 6. - C. 3-19.
4. An energy-saving nonlinear position control strategy for electro-hydraulic servo systems / K. Baghestan,S. Rezaei, H. Talebi, M. Zareinejad // ISA Transactions. - 2015. - P. 268-279.
5. Variable structure methods in hydraulic servo systems control / A. Bonchis, P. Corke, D. Rye, Q. Ha //Automatica. - 2001. - No. 4 (37). - P. 589-595.
6. An electro-hydraulic servo control system re-search for CFETR blanket RH / C. Chen, H. Tang,S. Qi [et al.]// Fusion Engineering and Design. - 2014. - No. 11. - P. 2806-2813.
7. Keles, O. Theoretical and experimental investigation of a pulse-width modulated digital hydraulic position control system / O. Keles, Y. Ercan // Control Engineering Practice. - 2002. - No. 6. - P. 645-654.
8. Lee, J. Design and experimental evaluation of a robust position con-troller for an electrohydrostatic actuator using adaptive antiwindup sliding mode scheme / J. Lee, S. Park, J. Kim // The Scientific World Journal. - 2013. P. 1-16.
9. Behavioural prediction of hydraulic step-up switching con-verters / V. De Negri, P. Wang, A. Plummer, D. Johnston // International Journal of Fluid Power. - 2014. - No. 1 (15). - P. 1-9.
10. Sirouspour, M. R. On the nonlinear control of hydraulic servo-systems / M. R. Sirouspour, S. E. Salcudean // Robotics and Automation, 2000. Proceedings. ICRA ’00. IEEE International Conference on. - 2000. - Vol. 2. - P. 1276-1282.
